Les éléments transposables (ET) et leur reliques sont des composants majeurs des génomes eucaryotes. Ils sont potentiellement hautement mutagéniques car leur prolifération peut engendrer des réarrangements chromosomiques, des interruptions de gènes ou affecter l’expression génique par interférence transcriptionnelle. Néanmoins, peu d’ET sont généralement mobiles dans les génomes grâce à l’action de mécanismes qui restreignent leur activité comme la méthylation de l’ADN chez les mammifères et les plantes. De fait, chez Arabidopsis thaliana, une perte sévère de méthylation de l’ADN causée par une mutation dans le gène codant la protéine remodeleuse de chromatine DDM1 (DECREASE IN DNA METHYLATION 1) engendre l’accumulation massive de transcrits correspondants à des séquences d’ET. En revanche, peu d’ET semblent être mobilisés suite à cette réactivation transcriptionnelle. Nous proposons ici de déterminer (1) l’étendue de la mobilisation des ET suite à la perte de méthylation de l’ADN, (2) la distribution des nouvelles insertions d’ET le long du génome d’Arabidopsis et (3) les conséquences des nouvelles insertions d’ET sur l’expression des gènes situés à proximité. Dans ce but, nous avons séquencé le génome d’une cinquantaine d’epiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) dérivées d’un croisement entre une plante sauvage et un mutant ddm1. Suite au croisement retour de la F1 avec une plante sauvage et sélection des individus F2 homozygotes pour l’allèle sauvage DDM1, les epiRIL ont été propagées au travers de 6 autofécondations successives. Les epiRIL permettent donc l’étude détaillée des évènements de transpositions juste après qu’ils aient eu lieu. Pour identifier les évènements de transpositions dans ces lignées nous avons mis au point TE-tracker, un programme basé sur les données issues du séquençage Illumina de banques maite-pair. Par cette approche, nous avons montré que les ET mobiles dans ddm1 et les epiRIL appartiennent à seulement une quinzaine environ des >300 familles identifiées dans le génome d’Arabidopsis. Qui plus est, on observe des variations importantes de fréquences et dynamiques de transpositions entre les différentes familles d’ET ce qui suggère l’existence de mécanismes additionnels contrôlant la transposition. Les analyses moléculaires réalisées sur un sous-ensemble des ET mobilisés appartenant à différentes familles ont notamment montré que ces différences sont dues en grande partie aux différentes modalités d’établissement du contrôle épigénétique sur les ET nouvellement insérés. D’autre part, nos analyses indiquent que la distribution des nouvelles insertions d’ET diffère grandement de celle des copies résidentes. Ce résultat suggère donc que la suraccumulation des séquences d’ET dans les régions péricentromériques du génome d’Arabidopsis n’est pas due à un ciblage spécifique des insertions dans ces régions, mais est plutôt la conséquence de leur élimination des bras chromosomiques. Enfin, nous avons cherché à déterminer dans quelle mesure la méthylation de l’ADN associée aux séquences répétées a un impact sur l’expression des gènes situés à proximité en étudiant des mutants affectés dans les différentes voies de la méthylation de l’ADN. Par des analyses phénotypiques et moléculaires nous avons montré que, même si la plupart des gènes d’Arabidopsis n’est pas affectée par l’état de méthylation des séquences répétées situées à proximité, deux voies de la méthylation de l’ADN agissent ensemble pour maintenir l’expression normale d’un petit nombre de gènes ayant des effets pléiotropes situés proximité de séquences répétées. La méthylation de l’ADN agit donc comme un double système de contrôle pour assurer l’expression normale d’un petit nombre de gènes clefs localisés a proximité de séquences répétées. / Transposable elements (TEs) and their relics are major components of eukaryotic genomes. TEs are potentially highly mutagenic as their proliferation can cause chromosomal rearrangements, disrupt genes or affect gene expression through transcriptional interference. However, few TEs are usually mobile within genomes at any one time thanks to potent mechanisms that restrain their activity, such as DNA methylation in mammals and plants. Thus, in the flowering plant Arabidopsis, severe loss of DNA methylation caused by mutations in the chromatin remodeler gene DDM1 triggers massive accumulation of transcripts corresponding to TEs. Yet, comparatively few TEs appear to be mobilized as a result. Here, we set out to determine (1) the extent to which DNA methylation prevents TE mobilization, (2) where do TEs insert following their reactivation and (3) what are the consequences of new TE insertions on the expression of neighboring genes. To this ends, we have sequenced the genome of over 50 epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) that were derived from a cross between a wild type and an isogenic ddm1 mutant line. After backcrossing of the F1 and selection of the progeny homozygous for wild-type DDM1, the epiRILs were propagated through six rounds of selfing. The epiRILs therefore permit a detailed assessment of transposition events soon after they have occurred. In order to identify TE mobilization in the epiRILs we developed TE-tracker, a pipeline based on Illumina sequencing of mate pairs libraries. Using this approach, we could show that although both retroelements and DNA transposons are mobilized in ddm1 and the epiRILs, mobile TEs belong to only a dozen or so of the >300 TE families identified in the Arabidopsis genome. Furthermore the rate and dynamics of transposition vary dramatically between TE families, suggesting the existence of additional mechanisms controlling transposition. Molecular analysis performed on a subset of those mobile TEs belonging to distinct families show that these differences are greatly due to different modality of establishment of epigenetic control over newly inserted TEs. In addition, our analysis indicates that the distribution of new TE insertions differs dramatically from the one of resident copies. These findings provide compelling evidence that over accumulation of TE sequences in the pericentromeric regions of the Arabidopsis genome is not due to specific targeting of TEs, but rather to their elimination from chromosome arms. Finally, we assessed the extent to which repeat-associated DNA methylation impacts the expression of neighboring genes by studying mutants affected in different methylation pathways. Phenotypic and molecular analyses reveal that, even though most Arabidopsis genes are not detectably sensitive to the methylation status of neighboring repeats, two DNA methylation pathways act together to maintain the normal expression of only a very small number of genes near repeats and that these genes tend to have pleiotropic effects. Then, DNA methylation acts as a double-lock system to ensure the normal expression of a small number of key genes located near repeats.

Les éléments transposables (ETs) sont des composants ubiquitaires des génomes eucaryotes, parfois prépondérants chez les plantes. Ce sont des séquences mobiles, potentiellement mutagènes, reconnues comme des acteurs de l’évolution des génomes. Cependant, la plupart des ETs sont aujourd’hui inactifs car réprimés par des mécanismes épigénétiques très efficaces. Néanmoins, ces derniers peuvent être relâchés par des stress, conduisant à la réactivation d’ETs. De tels stress sont-ils suffisants pour activer la transposition dans les populations naturelles? L’application répétée d’un stress peut-elle expliquer les pics d’activité transpositionnelle qui ont eu lieu en conditions naturelles? De récents travaux chez un mutant d’Arabidopsis thaliana, affecté dans une voie de répression d’ETs, le RdDM (RNA-directed DNA Methylation), ont démontré qu’un stress thermique conduisait à la réactivation transpositionnelle d’un ET. Mes travaux de thèse portent sur l’étude de riz sauvage et d’un mutant non décrit, affecté dans le RdDM, cultivés en conditions normales ou de stress thermique sur plusieurs générations. Les objectifs de mes travaux ont été de déterminer (1) l’impact de la mutation sur les différentes étapes d’activation rétrotranspositionnelle et (2) l’activation rétrotranspositionnelle en réponse à un stress thermique. Une part importante de ce travail a été consacrée au développement et à la comparaison de méthodes d’identification des mouvements d’ETs et différentes approches « omiques » ont été utilisées. La réactivation de 5 ETs dans les plantes mutantes, dont la mobilité n’avait pas encore été observée, suggère que la voie RdDM est impliquée dans le contrôle de leur répression. De plus, nos résultats confirment que les ETs ne sont pas tous réprimés par les mêmes voies de régulation. / Transposable elements (TEs) are ubiquitous among eukaryotic genomes sometimes overriding in plants. Due to their ability to replicate and transpose, they are potentially mutagenic and recognized as actors of genome evolution. However, the analysis of the transpositional activity of TEs in different plant species have shown that most of them are maintained in a transcriptionally inactive state through powerful and specific epigenetic mechanisms. These silencing processes can nevertheless be allievated under stress conditions, leading to TE reactivation. Are these stress sufficient to activate transposition in natural populations? Are repeated heat stress able to trigger transposition and therefore lead to bursts of transposition? In recent reports, reactivation of retrotransposons has been shown in Arabidopsis thaliana mutants impaired in the RdDM pathway (RNA-directed DNA Methylation) and submitted to heat stress. My PhD works reports the study of of a wild rice and a new rice mutant, affected in the RdDM, cultivated under optimal or heat stress conditions over generations. Here, we propose to determine (1) the impact of the mutation at the different levels leading to the retrotranspositional activation and (2) the retrotranspositional activity in response to heat stress. An important part of this work has been devoted to the development and the comparison of different methods to identify TE movements, and different -omics approaches have been used. The reactivation of 5 new TEs in mutants, suggests that the RdDM pathway is involved in the control of the repression of these TEs. Furthermore, our result confirm that all TEs are not regulated through the same pathways but are under the control of different lock.

Les éléments génétiques transposables (ET) sont des séquences d’ADN capables de se déplacer dans tous lesgénomes sous certaines conditions. Les ET ont des structures et des modes de transposition qui lesdifférencient en plusieurs groupes. Les éléments de la famille mariner sont ubiquistes ; lorsqu’ils sont actifs, ilsproduisent une transposase qui coupe l’élément et l’insère dans un autre locus. Des fragments d’éléments detype mariner (MLE) ont été précédemment identifiés chez la diatomée marine Amphora acutiuscula et ils semblaientactifs en condition de stress thermiques. Les diatomées sont caractérisées par une paroi siliceuse ornementée et,dans le milieu marin, elles jouent un rôle primordial dans les chaînes alimentaires.Dans le présent travail, par des méthodes de biologie moléculaire et de bioinformatique, nous avons recherché et caractérisé des MLE complets, et précisé leur activité en conditions de chocs thermiques et métalliques (cuivre et zinc). L’analyse des séquences amplifiées a mis en évidence la présence de MLE particuliers chez cette diatomée qui code une transposase ayant une triade catalytique DD43D jamais décrite jusqu’à présent.L’analyse phylogénétique place les MLE de diatomées dans une sousfamille différente mais proche de celle desMLE de plantes. Parmi les nombreuses copies de MLEprésentes dans le génome d’A. acutiuscula, certaines sont exprimées lorsque la diatomée est placée pendant 2 à 5 heures à unetempérature inférieure à sa température de culture. Par contre, l’expression des MLE n’a pas été mise en évidence chez cette espèce soumise aux stress métalliques appliqués. / Transposable elements (TE) are DNA sequences able to move in all genomes depending on conditions. TE have different structures and transposition mechanisms. Tc1-mariner elements are ubiquist ; when they are active, they produce a transposase which cuts and inserts the element into another locus. Fragments of mariner-like elements (MLE) hadpreviously been identified in the marine diatom Amphora acutiuscula and they seemed active under thermal stress. Diatoms are characterized by a siliceous ornamented cell wall and, in the ocean, they play a major role in trophic networks.In this work, with biomolecular and bioinformatic methods, we have searched for and characterized full length MLE, and precised their activity under thermal and metal (copper and zinc) stresses. The analyse of the DNA sequences obtained highlighted that MLE in diatoms are particular and that they encode a transposase which has a DD43D catalytic triad neverso far depicted. The phylogenetic analyse arranged diatom MLE in a subfamily different and close to that of plant MLE. Among the numerous MLE copies present in the genome of A.acutiuscula, some were expressed when the microalga was put at a lower temperature than the culture temperature for 2 to 5 hours. Conversely, metal stresses we applied did notinduce MLE expression in this species.

Les hélitrons constituent un groupe d'éléments transposables découverts récemment dans les génome eucaryotes. A travers une étude bioinformatique, nous avons étudié leur mode d'invasion, la modularité de leur séquence et leurs impacts sur les gènes à leur proximité dans le génome d'Arabidopsis thaliana. Les hélitrons sont les éléments transposables les plus répandus dans ce génome ; néanmoins ils ne sont que partiellement reconnus par des logiciels d'alignement. Nous avons modélisé ces éléments sous la forme d'une grammaire formelle. Cette grammaire est constituée des deux extrémités terminales séparées par une séquence nucléotidique quelconque de taille fixée. Nous avons créé une matrice d'occurrences des modèles associant toutes les combinaisons possibles d'extrémités. La matrice a fait apparaître des associations préférentielles entre certaines extrémités et a permis la découverte de nouvelles familles d'hélitrons chimériques. La détection des ORFs contenant les protéines de transposition a permis de confirmer la relation hélitron autonome non-autonome et de comprendre le mécanisme de création des chimères d'hélitrons. Nous avons proposé une nouvelle nomenclature des hélitrons basée sur leurs extrémités et non sur leur séquence globale. L'étude de la séquence d'une famille d'hélitrons a montré une réorganisation constante des domaines nucléiques entre les différentes copies de cette famille. Pour comprendre cette organisation, nous avons mis au point le logiciel DomainOrganizer qui permet d'observer la composition en domaines des éléments transposables. DomainOrganizer détecte les frontières entre domaines à partir d'un alignement multiple et crée la liste des domaines. A partir de cette liste, il recherche, par un algorithme d'optimisation combinatoire, le nombre minimal de domaines qui recouvrent au maximum l'ensemble des séquences. Enfin, DomainOrganizer visualise et classe les séquences en fonction de leurs domaines. L'analyse par domaines de la famille AtREP21 a permis de comprendre la nature de cette variabilité et de retracer l'histoire évolutive de cette famille à partir de l'identification des domaines. L'étude de la localisation des hélitrons AtREP3 dans ce génome de plante a montré une insertion préférentielle de ceux-ci dans les promoteurs de gènes. Les profils d'expression de ces gènes, nous a permis d'identifier plusieurs clusters. Par ailleurs, les motifs de régulation ont montré une grande variabilité de motifs dans les promoteurs mais pas dans les hélitrons. Ces résultats ont montré que les hélitrons non-autonomes transportent dans leurs séquences internes des motifs de liaisons aux facteurs de transcription. Des analyses complémentaires devront être réalisées pour comprendre l'action régulatrice des hélitrons sur les gènes situés à leur proximité.